国中学生物理竞赛实验指导书思考题参考答案解析-电磁学

实验十一 学习使用数字万用表
【思考题参考答案】
1．调节电阻箱的电阻为500Ω和5Ω时，电阻的误差是多大？
答：以0.1级为例，以每个接点的接触电阻按0.002Ω为例。

对于500Ω电阻从0和9999Ω接线柱输出，误差为
Ω=⨯+⨯=∆512.0002.06%1.0500R
对于5Ω电阻从0和9.9Ω接线柱输出，误差为
Ω=⨯+⨯=∆009.0002.02%1.05R
2．电源电压为110V 。

是否可以只用一个电阻箱控制，得到0.5A 的电流？ 答：若只用一个电阻箱控制，所需电阻为Ω2205.0110==R 。

这需要电阻箱的100⨯R 档，此档允许电流为0.05A ，实际电流大于额定电流，不能使用。

3．对于一块四位半的数字万用电表的直流电压200mV 量程，可能出现的最大数字是多少？最小分辨率是多少？
答：最大数字为199.99mV 。

最小分辨率为0.01mV 。

4．使用数字万用电表的直流电压2V 量程测量直流电压，测量值为1.5V ，测量误差为多少？如果测量值为0.15V ，测量误差为多少？如果换用200mV 量程测量直流电压0.15V ，误差为多少？
答：我们以0.5级的三位半表为例，()一个字+±=∆x U U %5.0。

2V 量程测量直流电压1.5V 时 ()mV mV V U 5.815.1%5.0±=+⨯±=∆
2V 量程测量直流电压0.15V 时()mV mV V U 8.1115.0%5.0±≈+⨯±=∆
200mV 量程测量直流电压0.15V 时()mV mV mV U 9.01.0150%5.0±≈+⨯±=∆
可见，测量小电压尽量选用低量程档。

5．为什么不宜用数字万用电表的电阻档测量表头内阻？
答：数字万用电表电阻档内置9V 电池，而微安表头内阻在2000Ω左右。

这样测通过表头的电流估计为mA A 5.40045.020009==，这个电流远大于微安表头的满量程电流。

6．为什么不能用数字万用电表的电阻档测量电源内阻？
答：电阻档的使用条件是被测电阻中无电流通过，或者被测电阻两端无电压。

对电源内阻来说，一旦用电阻档测量，电源就为内阻提供了电流，这样容易烧毁电表。

实验十二 制流和分压电路
【思考题参考答案】
1．在连接分压电路时，有人将电源的正、负极
经过开关分别连到变阻器的一个固定端和滑动端。

这种连接方法对么？会有什么问题？
答：电路如图，这种连接方法不对。

这种电路
负载电阻被短路不会分压。

2．有一分压电路如图（实验的那个电路），负载电阻Ω=k R L 1.5，电压表内阻为Ω=k R V 10，变阻器电阻为0R 。

（1）若希望分压均匀，应选择哪种规格的变阻器？
（a ）A 1,5Ω；（b ）A 5.0,100Ω（c ）A 2.0,1000Ω
（2）当滑动头分别滑到A 、B 两端时，电压表示数为多少？
（3）设电源电压恒定，变阻器按（1）作了正确选择，但是A 端到电源负极的导线断了。

当滑动头滑到B 端时，电压表示数为多少
答：（1）这里电压表内阻与负载电阻并联才是真正的负载电阻。

即Ω==k R R R V L L 4.3//0，要使分压均匀，200≥=R R L β，兼顾省电，选（c ）。

（2）当滑动头分别滑到A 、B 两端时，电压表示数分别为0和E ；
（3）这成了制流电路，当滑动头滑到B 端时，电压表示数为E 。

3．设计固定分压比的分压电路，电源电压1 V ，Ω=1000L R ，要求分压比为1.0=Y 。

如果要求分压比001.0=Y ，电路应如何调整？
答：电路如图，分压比为 Y R R R R L =+2
12// 选221=+=R R R L β，则Y R R R L =+222，即Y R R =+1000222 （1）1.0=Y ，可以求出Ω=5.522R ，Ω=-=5.447221R R R L
（2）001.0=Y ，可以求出Ω=5.02R ，Ω=-=5.499221R R R L
[补充思考题]分压电路和制流电路都能控制负载上的电压和流过负载的电流。

使用这两种控制电路有何不同？（想一下什么情况下使用制流电路或分压电路）
答：（1）它们的电压调节范围不同，分压电路电压调节范围为0-E ，制流电路调节的负载电压范围为E R R R L L 0
+-E ；（2）调节的均匀性不同，分压电路20≥=R R L β比较均匀，不影响电压范围，制流电路20≥=R R L β虽然也比较均匀，但β值影响电压范围，
调节越均匀输出范围越小；（3）消耗的电功率不同，如果两种电路输出电压范围相同，制流电路比分压电路省电。

实验十四 磁电式直流电表的改装
【思考题参考答案】
1．如果预先不知道表头内阻，能否在改装电压表的同时确定表的内阻。

电路见课本第64页，图14-5。

答：可以。

先将电阻箱R s 调到g I U >，改装后，在输入端加上满量程电压U ，逐步减小R s 使表头满偏。

有 ()U R R I s g g =+，s g
g R I U R -=。

从电阻箱读出R s 就可以计算内阻。

2．用半偏法测量电表内阻时，如果不满足g R R R >>+21的条件，应如何计算g R 。

答：见课本第63页图14-2。

满偏时电源端电压为()21R R R I g g ++，半偏时电源端电压为()()210//20R R R R I I g R g +++，电源电阻不计，有 ()
()()21210//20R R R I R R R R I I g g g R g ++=+++ 又 002R I I R R g g =
解出 ()0
21210R R R R R R R g -++= 3．在被改装表的零点和满度校准好之后，在零点和满度之间的各刻度仍然不准。

试分析产生这一结果的原因。

答：这有可能是刻度位置不准或者磁场不够径向均匀，后者造成线圈转到不同位置受的磁力矩不够线性，这样线圈在不同位置获得的力矩是不成比例的。

[补充思考题] 用半偏法测量电表内阻时，如果不满足g R R R >>+21的条件。

定性分析，按半偏法计算g R 时比真值大还是小。

答：比真值小。

分析如下，半偏法给出0R R g =测，当21R R +不够大时，并联0R 后，因总电阻明显减小，即时调节0R 使电流表半偏，干路电流会大于I g ，也就是说2/0g R I I >，从而g R R <0。

【补充思考题】改装欧姆表，学习课本第67-68页
实验十五 用量程为200mV 的直流数字电压表组装
多量程的直流电压表和直流电流表
【思考题参考答案】
试比较用数字万用电表和磁电式电表分别组装多量程直流电压表和直流电流表的原理有什么不同之处？又有什么相同之处？
答：不同之处有：（1）磁电式微安表头的内阻不够大，而数字电压表基本量程的内阻可以看成无穷大。

这样，在用磁电式微安表头改装电表时要考虑内阻的影响；（2）用磁电式微安表头改装电压表是将表头与电阻直接串联分压，改装电流表是将表头与电阻直接并联分流。

而直流数字电压表改装电压表是利用几个电阻串联分压，用200mV 基本量程测量分电压，总电压被扩大。

直流数字电压表改装电流表是将基本量程与相应电阻并联，但基本量程所在支路电流不计，只是实现I -U 转换。

相同之处：电阻串联分压改装电压表，电阻并联分流改装电流表。

[补充思考题]用200mV 直流数字电压表改装欧姆表
R 1、R 2组成分压电路，输入端短路时，调节变阻器，使R 2分得的电压为数字电压表满度电压。

接入被测电阻R x 后，R 2分的的电压与R x 有关，达到测量电阻的目的。

短路的电路方程为 0
212R R R R E U g ++= 当被测电阻接入电路时，电路方程为 x
R R R R R E U +++=0212 所以 ()0211R R R R U U x g +++= 实验十七 直流平衡电桥
【思考题参考答案】
1．如果按图（课本第78页图17-2）连接电桥电路，经检查接线无误，接通电源进行测量时却发现如下情况，问，电路有何故障？（注：以数字表200mV 为示零器为例）
（1）示零器的示值没有变化；（2）示零器的示值极性不变。

答：（1）有一个桥臂断路，如果示零器上“+”下“-”，示值不发生变化，说明R 2或R x 所在桥臂断路；如果示零器下 “+” 上“-”，示值不发生变化，说明R 0或R 1所在桥臂断路。

（2）比例臂R 1/ R 2数值过大或过小，电桥难于平衡。

2．下列因素是否会加大测量误差？
（1）电源电压大幅下降；（2）电源电压稍有波动；（3）在测量较低电阻时，导线
电阻不可忽略；（4）示零器的灵敏度不够高。

量误差。

【补充思考题】用电桥法测量一个磁电式微安表内阻
已知一块电磁式微安表的量程为0~200μA，内阻约为
500Ω。

提供的仪器有：电阻箱三个、变阻器（电阻50Ω）、
干电池一节、单刀开关两个。

（1）由于微安表不能超过满度值，加在电桥两端电
压不能高，用变阻器接成分压器为电桥提供电压；（2）微
安表指针不能反转，表的正极通过桥路与电源正极一致；
（3）没有示零器，用开关和微安表配合判断平衡；
电路如图。

①取比例臂电阻都为500Ω，比较臂电阻在500Ω左右，分压器输出接近
零；②合上电源开关，缓慢提高电源输出电压，使微安表有一个较大读数；③合一下平
衡指示开关，看微安表示数变化，根据情况调节R0，直至当合上平衡指示开关前后，微
安表示数不变，电桥平衡，进行读数。

实验十八学习使用示波器
【思考题参考答案】
1．如果示波器良好，但是开机后荧光屏上无光点出现，哪些旋钮不合适会出现这种情况？应怎样调节才能使光点出现？
答：水平位移太偏、竖直位移太偏、辉度太低。

使这些旋钮处于适中位置。

2．如果观察到荧光屏上波形不断向右移动，说明锯齿波电压频率是偏高还是偏低？
答：偏高
3．用示波器观测周期性信号时，信号的频率恒定，改变扫描频率能否使显示的波形周期数变化？保持扫描频率恒定，改变信号的频率能否使显示的波形周期数变化？它们的作用原理有什么不同？上述两种情况下，如果保持示波器的X增益恒定，那么横坐标每一格代表的时间值是否发生变化？
答：第一问：两种情况都能使显示波形的周期数变化。

第二问：第一种情况如果减
小扫描速率（即增大扫描周期），显示的波形个数增多；第二种情况增大信号频率，使
扫描信号周期与信号周期的整数比增大，显示的波形个数增多。

第三问：第一种情况，
横坐标每一格代表的时间值变化，第二种情况，横坐标每一格代表的时间值不变。

实验十九观察电容特性
【思考题参考答案】
[补充思考题]在观察RC电路中u c波形时，连接示波器为什么要共地？
答：实际实验时，在RC 电
路两端引进一个方波，相当于能
自动短路和加电源，但方波中低
电位（电平）定义为零时，高电
位（电平）是对信号源的地而言
的。

在示波器中显示的信号电位是对自己的地而言的，在显示电容器充电和放电的u c 或u R 波形时，如果共地连接，如图(a)(b)所示，充电使用的电压和充放电过程中u c 或u R 对应的电位才统一，并且这时加在示波器垂直偏转板的信号电压始终是u c 或u R ，从而显示u c 或u R 波形。

实验二十 黑盒子
【思考题参考答案】
1．使用数字万用电表的电阻量程测试二极管，当呈现低电阻值时，与哪个表笔接触的是二极管的正极？为什么？
答：与红表笔接触的是二极管的正极。

因为，呈现低电阻值时，二极管处于正向偏置而导通，二极管正极电位高于负极电位。

而数字万用电表的电阻量程，红表笔与内部电池的正极连接，只有当红表笔接二极管正极，黑表笔接负极时，二极管才会导通。

2．如果黑盒子中装的是电解电容，其电容值为几百到上千微法，应怎样判定电容的正负极？
答：用数字万用电表电阻量程R*100或者R*1K 检测，将万用表打到电阻量程（正负表笔要正确插入），两表笔打住电解电容两引脚，如果测出的电阻由小变大的话，红表笔接的那个引脚是正极。

如果一开始电阻就很大，那么，红表笔接的那个引脚是负极。

【补充思考题】黑盒子实验中，如果用万用表欧姆档正反两次检测某两个接线柱之间均为短路或断路，怎样判断真的是短路或断路。

答：对于短路和小电阻要区分开，换用200Ω档重复测量，如果仍无电阻判断为短路，如果有电阻，说明有小电阻。

对于断路和大电阻要区分开，换用200k Ω档重复测量，如果仍为无穷大判断为断路，如果有电阻，说明有大电阻。

实验二十三 用霍尔效应测量磁场
【思考题参考
答案】判断霍尔片
上的磁场方向，并
简图示意。

答：利用霍尔
效应产生的原因，容易得到下列结论：p 型半导体霍尔片，磁场方向指向霍尔电流I 与霍尔电势降低方向（霍尔电场E H 方向）的右手螺旋拇指指向。

n 型半导体霍尔片，磁场
（a ） （b ）
方向指向霍尔电流I 与霍尔电势降低方向（霍尔电场E H 方向）的右手螺旋拇指指向相反。

示意图如图所示。

【补充思考题】由于霍尔元件横向电极不对称，在不加磁场时两横向电极也有电势差（电阻效应），称为不对称电势。

怎么消除不对称电势差的影响。

答：不对称电势差为r I V S =0。

不对称电势差的大小和方向只与I S 方向有关，与B 的方向无关，而V H 的方向与I S 和B 的方向都有关，当V 0与V H 方向相同时，两者叠加使测量值大于实际值，当V 0与V H 方向相反时，两者叠加使测量值小于实际值。

为消除不对称电势差的影响，保持I S 大小和方向不变、B 的大小不变，改变B 方向测量两次，这两次测量不对称电势差不变，霍尔电压方向相反。

消除不对称电势差后的测量值为()2/21V V V H -=。